Спектроанализатор Советский патент 1985 года по МПК G01R23/16 G06F17/14 

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники, предназначенным для аппаратурного определения характеристик случайных процессов. Известен спектроанализатор, содер жащий устройство, реализующее обобщенное преобразование Фурье, квадраторы, блоки осреднения по времени (нормирующее устройство), а также компаратор, источник образцового сигнала и устройство, управления Щ,. Недостатком этого спектроанализатора является сложность его аппаратурной реализации, что вызйано главным образом сложностью устройств, реализующих обобщенное преобразование Фурье, в состав которых входят генератор базисных функций, перемножающее устройство, накапливакяций сумматор (интегратор) и нормирующее устройство. Наиболее близким к предлагаемому является спектроанализатор, содержащий два встречно включенных фильтра нижних частот с перестраиваемыми частотами среза, имеющих обищй вход, являющийся входом спектроанализатора два блока программного изменения час тот среза фильтров, два блока сравнения, входы первого из которых соединены с выходами фильтров нижних частот, и последовательно соединенные между собой квадратор, вход которого соединен с выходом первого блока. сравнения, сглаживающий фильтр который состоит из накапливаюр;его сумматора и блока усреднения по времени, и блока усреднения по ширине полосы пропускания, выход которого является выходом спектроанализатора Входы второго блока сравнения в известном спектроанализаторе соединены с регистрами частот среза фильт ров нижних частот, а выход подключен к блоку усреднения по ширине полосы пропускания. На выходе первого блока сравнения в-рассматриваемом спектроанализаторе формируется составляющая X cjgit) исследуемого процесса X(t), соответствующая, интервалу частот ico (.., , Wc2 o сг- о--2частоты среза фильтров нижних частот; Ид- центральная, частота, формируемые в блоках программнога изменения от частот среза. С помощью квадратора и сглаживающег.о фильтра вьфабатывается сигнал DjXj, ( о,, t)) дисперсии выходного сигнала X cOg,t) первого блока сравнения, из которого затем после преобразования в блоке усреднения по ширине полосы пропускания формируется выходной сигнал S (WQ) спектроанализатора, представляю1ций собой оценку спектра S iCUg) исследуемого процесса X(t) . Недостатком такого спектроанализатора является его невысокая точность. Это является следствием того, что полоса пропускания и W, образованная двумя встречно -ключенными физически реализуемыми фильтрами НИЖНИХ частот, неограниченно возрастает при,увеличении центральной частоты Сл)д. Последнее утверждение можно обосновать, рассмотрев часто встречающийся на практике случай, когда вкачестве низкочастотных фильтров в спектроанализаторе используются т.н. фильтры Баттерворта, частотные характеристики Н(1м) которых удовлетворяют условию /H(iCo)/ т V где X - коэффициент усиления, а Т постоянная времени фильтра, определяющие его частоту среза СО. Для определения минимально возможной полосы пропускания йсо образованной двумя встречно включенными фильтрами, удовлетворяющими условию (1) нужно взять Н(1М), имеющую производную .с наибольшим порядком нуля, т.е. H(iCo) 1 ) Для частотной характеристики Qdcu) системы двух встречно, включенных фильтров .нижних частот, вследствие близости .их частот среза, справедливо выражение W(obH(;((iu) п- еит-т со o7rFuV куда , .г п%{м)Ч2«-2 „ ,.,.г..,о... ()г 3 Максимальное значение /(ia)/ достигается очепидно, при . Поэтому Т I/OQ. Полоса пропускания ДМ , определяется, как известно, из уравнения вида /p(iwi/4 « которое с учетом (2) может быть преобразовано к виду f .,(|.f и-о ,)VCJol Следовательно, .Uco... Таким образом,, полоса пропускани двух встречно включенных низкочаст ных фильтров .неограниченно возраста ет при увеличении центральной част ты (OQ и этот рост может быть умень шен (но не устранен.) только путем повышения порядка п фильтров, что вместе с тем приводит к усложнению спёктроанализатора. Цель изобретения - повьшение то ности спёктроанализатора. Поставленная цель достигается тем, что в спектроанализатор, содер жащий блок сравнения, первый и вто рой фильтры нижних частот, первый квадратор, сглаживающий фильтр, выход которого подключен к входу блок усреднения, выход которого является информационным выходом спёктроанализатора, введены первый и второй блоки умножения, второй квадратор и сумматор, выход которого подключен к входу сглаживающего фильтра, выход блока сравнения подключен к входу первого.фильтра нижних частот выкод которого-подключен к входу первого квадратора и первому входу первого блока умножения, выход кото рого подключен к входу второго филь ра нижних частот, выход которого подключен- к входу второго квадратора и первому- входу второго блока умножения, выход которого подключен к перво гу входу блока сравнения, второй вход которого является инфор мационным входом спёктроанализатора выходы первого и второго квадраторов подключены .соответственно к пер вому и второму входам сумматора, а вторые входы первого и второго блоков умножения соединены и являются входом задания частоты спёктроанали затора. 284 . Отказ от схемы встречного включения фильтров нижних частот, в данном спектроанализаторе.и включение вместо этого одного фильтра нижних частот в цепь отрицательной.обратной связи другого, а также формирование оценки 5к(ь)о) спектральной плотности S.((W(j) исследуемого процесса X(t) на основе суммы дисперсий, выходных сигналов фильтров нижних частот обеспечивают независимости полосы пропускания и со системы фильтров от центральной.частоты СОд и позволяют тем самым достичь более высокой точности - определения упомянутой оценки. На чертеже представлена функциональная схема спёктроанализатора. Этот спектроанализат.ор содержит блок сравнения 1, фильтр нижних частот 2, блок умножения 3, фильтр.нижних частот 4, блок умножения 5, вход задания частоты 6, квадраторы 7 и 8, сумматор 9, сглаживающий фильтр 10, блок усреднения (по щирине полосы пропускания) .11. Спектроанализатор работает следующим о.бразом. Центрированная реализация исследуемого случайного процесса X(t) подается на первый вход блока сравнения 1, на второй вход которого подается сигнал отрицательной-обратной связи XR(t), которым является выходной сигналблока умножения 5, управляемого по входу . задания частоты 6. Сигнал X(t) с выхода блока сравнения 1 x(t) x(t) - Xg(t) подается на вход фильтра нижних час- ,тот 2, где формируется - сигнал X(t), поступающий затем на вход квадратора 7 и в цепь обратной связи, т.е. на вход блока умножения 3, управляемого также по ходу задания частоты 6, Выходной сигнал X,,(t) блока 3 X(t) TcOoX(t) поступает на вход фильтра нижних частот 4, который вьфабатьтает, сигнал X(t). Сигнал X(t) подается на входы соответственно квадратора 8 и блока .умножения 5, который и формирует сигнал обратной связи X..(t) TtOoX.(t). 511 Таким образом,-система фильтров нижних частот.в данном спектроанализаторе имеет два выхода, которыми являются выходы фильтров 2 и 4. При этом1аоскольку частотные характеристики jCiflj) и (Р (ico) фильтров 2 и 4 имеют вид (P(i Л- (Ы - Ч 4 4 ТА СО а частотные характеристики блоков з„5 «jW-fiOol-T., (5) то частотная характеристика (iw) системы .низкочастотных фильтров по первому выходу H + Tiu) ,---:т--1-Т 5. (6) % , а частотная характеристика Tjj(iu) системы фильтров .нижних частот по второму ВЫХОДУ Тсо о Tj(AU)l e;-1-ГТ И+Т1Ы) +Т «о Сигналы X2(t) и X(t) преобра унп-ся в квадраторах 7 и 8 соответственно в сигналы Xj(t) X(t) Xg(t) - X(t),(.o) которые подаются затем на входы сумматора 9, где формируется сигнал ,„ Xu(t) X,(t) + X8(t), (9) , поступающий далее. на вход сглаживающего фильтра 10..Сглаживающий фильтр 10 вырабатывает .оценку X,(/t) математического ожидания (t) сигнала Xq(t) т.е. 0 () , Из соотношений (8) и (9) следует, что, .2 21 (t)J (t) + X(t)J . Вводя в рассмотрение комплексный сигнал X (t) iff получим 86 мКщ мГхМХ(11.1)Х№1 (12) L ч и L V4 V4j ui ijj рде обозначает комплексно сопряженную величину, а П - символ дисперсии. Из соотношений (6), (7) и (11) вытекает следующее выражение для част ной характеристики (ico) системы фильтров нижних частот по отношению . к комплексному сигналу UT u+TicoQ . Ф11.1.-.и1..Р.ДыЬ.,,, UT.(u,,- (13) Тогда в соответствии с теорией стационарных случайных процессов, а также в силу равенств (10) и (12) МОЖНО записать л f о Х,)/ЧЫсЗы -со ю г ( .о Г Oni.Wl , ::. ХМ j (О . / . / ,1 in(u-Uo) liI-t- f, - Сигнал X,g(t) поступает на вход блока усреднения 11, выходной сиг« Ч которого X,,(.-t| - X (i) (15) uje ° принимается за оценку &(с.)) спектральной плотности Oj(W(,) исследуемого процесса X(t) на центральной частоте WQ . Таким образом, вследствие (14) и (15) для достаточно больших Т ( iLl х а|-Л J ( ° ЫТ 7 3w - ::r5xl.Uolj -оо Техническое.преимущество данного спектроанализатора перед известными аналогами состоит в более высоких точностных характеристиках. Это объясняется тем, что полоса пропускания GJ системы фиJlьтpoв в данном спёктроанализаторе, которая согласно (3) и (13) определяется вьфажением .2 iW ., , Т зависит от центральной частоты соQ и путем регулировки Т может быть сделана какой угодно.

СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР, содержащий блок сравнения, первый и второй фильтры нижних частот,, первый квадратор, сглаживаю1 1ий фильтр, выход которого подключен к входу блока усреднения, выход которого является информационным выходом спектроанализатора, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности, в него введены первьй и второй блоки умножения, второй квадратор и сумматор, выход которого подключен к входу, сглаживающего фильтра, выход блока сравнения подключен к входу первого фильтра нижних частот, вькод которого подключен к входу первого квадратора и первому, входу первого блока умножения, выход которого подключен к входу второго фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу второго квадратора и первому входу второго блока умножения, выход которого подключен к пер(Л вому входу блока сравнения, второй вход которого является информационным входом спектроанализатора, выходы первого и второго квадраторов подключены соответственно к первому и второму входам сумматора, а вторые входы первого и второго блоков умножения соединены и являются входом задания частоты спектроанализа тора. о ND ЭО

/

ifL

f.

f